RANCANG BANGUN
KWh METER DIGITAL BERBASIS MIKROKONTROLER
S
UKARMAN,
M.K
HOIRI,
S
WARNADAS
ETIAWANJURUSAN TEKNOFISIKA NUKLIR, STTN-BATAN
Jl. Babaarsari Kotak Pos 6101 YKBB Yogyakarta 55281
Abstract
RANCANG BANGUN DIGITAL KWh METER BERBASIS MIKROKONTROLER. Pencatat energi
listrik (KWh) meter analog PLN masih menggunakan prinsip elektomekanik, besarnya daya yang digunakan ditunjukkan dengan penampil angka yang juga diolah berdasarkan prinsip piringan mekanis. Meskipun terjadi kesalahan akibat gesekan mekanis namun diabaikan. Karenanya proses ini diperlukan kalibrasi ulang agar pencatatan dilakukan dengan benar. oleh karena itu dibuat suatu KWh meter digital yang hanya menggunakan prinsip elektronik sehingga kesalahan yang ditimbulkan lebih kecil dibandingkan menggunakan elektromekanik, Dalam penelitian ini dirancang KWh meter digital menggunakan mikrokontroler AVR Atmega8 menggunakan ADC Internal. Sinyal arus, tegangan dan cos phi yang berasal dari beban, melewati sensor (trafo arus) masuk ke dalam pengkondisi sinyal (jembatan dioda), dalam pengkondisi sinyal tegangan dan arus dikondisikan menjadi tegangan yang kemudian diolah ADC menjadi data daya untuk memberikan data masukan ke mikrokontroler yang kemudian ditampilkan oleh LCD. Hasil penelitian menunjukkan bahwa KWh yang dibuat memiliki tingkat linieritas alat sebesar 0,946 dengan spesifikasi linieritas trafo sebesar 0,964 dan tingkat eror ADC 0,0001954 yang dilakukan pada pengukuran daya 0-450 watt.
Kata kunci : KWh meter, mikrokontroler
DESIGN AND CONSTRUCTION OF POWER METER BASED ON MICROCONTROLLER. Recorder of electric power (KWh) of analog type already use electromechanical principal, where value of power used show numerical indicator. It works mechanically disk rotation. Although there are error due to mechanical friction, but its negligible. Therefore that it require recalibration so right recorded. Hence, it change to digital power meter that it electronical principal. This research use microcontroller ATmega8 where it includes internal ADC. Current, voltage and cos phi different from load is measured by current transformer (CT). then it give to signal conditional (SC) like diode bridge. Output from signal conditional processed by ADC so it is power, and finally show to LCD indicator. The result show power meter have linierity 0.964, with linierity of trafo is 0.964 and ADC error 0.0001954 at measurement of power 0-450 Watt.
Latar Belakang
Sistem pencatatan data pemakaian daya listrik bagi para pelanggan PLN pada umumnya
masih menggunakan cara konvensional,
sehingga untuk mengetahui besarnya
pemakaian daya, pencatatan data dilakukan secara manual atau dengan personal data entry
dengan mendatangi ke masing-masing
pelanggan. Pengukuran dilakukan dengan menghitung perkalian antara tegangan dan arus melalui kumparan dinamis yang bekerja secara mekanis.
Perkembangan teknologi elektronika
digital telah mendorong kearah perubahan yang lebih baik, dari sisi konsumsi daya, harga dan
bentuk bahkan kompatibelitasnya (Doebelin,
Ernest O., 1983).
Pencatat daya listrik merupakan Alat ukur yang digunakan untuk mengukur besarnya daya listrik yang digunakan. Suatu alat ukur minimal terdiri dari sensor, pengolah data dan penampil (Elnanda,h, 2006). Penampil digital akan memberi kemudahan dan kepastian nilai walaupun masih dibutuhkan rangkaian analog untuk proses analog.
Sebagai alat ukur tentu saja harus dilakukan kalibrasi terhadap alat standar (Wahyunggoro,O, 1998), agar data yang
diperoleh dapat dipertanggung jawabkan.
Dalam pengukuran digital, maka diperlukan pengubah analog menjadi digital menggunakan ADC. Pada mikrokontroler ATmega 8 terdapat ADC internal 10 bit.
Texas Instruments telah membuat Piranti IC AD7750 yang merupakan rangkaian terpadu yang di dalamnya terdapat rangkaian ADC sebagai respon terhadap sensor arus dan tegangan yang kemudian diproses lebih lanjut
oleh MCS-51. B.Yoyok W.P, 2008,
menggunakan rangkaian pengukur arus dan tegangan serta beda fase untuk mengukur daya listrik.
Penelitian lain Texas Instruments
menciptakan suatu chip yang digunakan untuk melakukan pengukuran energi meter dengan
single chip MSP430FE427
(www.analog.com). Chip ini mempunyai
banyak keuntungan, di samping dirancang khusus pengukuran energi listrik sehingga dari
segi ketelitiannya sangat bagus karena semakin hardware yang terpasang minimum maka errornya pun minimum. Tetapi, kelemahan dari chip ini hanya mempunyai satu port untuk akses ke LCD/ Display, sehingga spesifikasi dari display yang cocok secara serial (one wire). Dengan mikrokontroler AVR yang praktis dan memiliki fitur yang lebih lengkap dibandingkan MCS-51 salah satu contohnya rangkaian ADC terpadu dan fleksibel (mudah didapatkan, murah, dan banyak port untuk akses ke LCD. Perancangan watt-meter digital menggunakan mikrokontroler AVR mengacu pada manual handbook Atmel (www.atmel.com, 12 Maret 2008).
Dasar Teori
Energi aktif didefinisikan sebagai daya
yang digunakan oleh piranti untuk
menghasilkan daya guna. Persamaan energi aktif ditunjukkan pada persamaan 1.1.
(1.1)
Dengan T, u(t), i(t) masing-masing adalah periode satu siklus tegangan AC, tegangan fungsi waktu, arus fungsi waktu sedangkan U, I adalah tegangan dan arus yang masing-masing mempunyai nilai RMS (Root Mean Square) dan φ merupakan sudut penyimpangan antara arus dan tegangan, sehingga setelah diberi masukan (beban) persamaan (1.1) menjadi :
(1.2)
Dengan N adalah banyaknya cuplikan, u(n) dan i(n) adalah tegangan dan arus pada saat cuplikan ke- n. Alat pengukur daya/ pengukur watt dikenal sebagai KWh meter (Kilo Watt hour) meter (www.atmel.com,
Application note465, 12 Maret 2008). Berikut
gambar KWh meter analog ditunjukkan oleh gambar 1.1
Gambar 1.1 KWh meter analog
Pada KWh meter analog ditunjukkan gambar 1.1. Prinsip kerja KWh meter analog adalah jika terdapat beban listrik, akan menginduksi menggerakkan piringan, hal ini yang menjadi salah satu kelemahan yang sering terjadi karena kesalahan terbesar disebabkan karena piranti mekanik tersebut (Kirkup, Les, 2002).
Ikhtisar perhitungan energi listrik sebagai konsumsi daya dari penggunaan beban sebagai berikut :
W = P. t
(1.3)
Dengan W adalah energi listrik
(wattjam), P adalah daya sebagai beban (watt), dan t adalah waktu yang digunakan selama pemakaian (jam). Sedangkan untuk pengukuran daya sebagai beban sebagai masukan (data) yang nantinya akan diproses oleh pembuatan KWh meter digital perlu adanya koreksi terhadap fluktuasi tegangan sumber listrik AC (PLN), sehingga daya yang terukur adalah daya
sesungguhnya. Untuk lebih jelasnya
ditunjukkan persamaan 1.4 di bawah ini :
P = V
2(fluktuasi)/ R
(1.4)
Dengan P adalah daya sesungguhnya (watt), V adalah tegangan fluktuasi sumber AC (volt), dan R adalah konstanta hambatan (ohm). R diperoleh dengan menggunakan persamaan 1.5 di bawah ini :
R = V
2tertulis/ P
tertulis(1.5)
Dengan R adalah konstanta hambatan (ohm), V adalah tegangan yang tertulis pada beban (volt), P adalah daya yang tertulis pada beban (watt).
Rangkaian pengukuran daya digital ini menggunakan sebuah keping mikrokontroler
AVR ATmega 8 yang di dalamnya terdapat rangkaian EEPROM yang dapat difungsikan sebagai “bank” data/ penyimpan data mengenai informasi yang didapat dari pengukuran arus dan tegangan yang diproses oleh analog front
end (AFE) (www.atmel.com, Application
note465, 12 Maret 2008).
Perangakat Keras (hardware) KWh meter 1. Catu daya : catu daya yang digunakan
sangat ringkas sehingga efisiensinya
sangat rendah tetapi dalam beaya sangat murah atau ekonomis, hanya digunakan untuk mencatu daya pada rangkaian sistem. Terlihat dari gambar 1.2 di bawah ini ini rangkaian catu daya secara blok schematic (www.atmel.com, Application note465, 12
Maret 2008).
Gambar 1.2 power supply ATmega 8
2. Analog awal sampai akhir/ Signal
conditioning (Analog Front End)
Analog front end merupakan bagian lain dari perangkat keras, penghubung dari tegangan tinggi menjadi tegangan rendah.
Analog front end termasuk penguat Op amp
yang menyediakan inputan untuk ADC dalam mikrokontroler. Analog front end/ SC terdiri dari dua bagian:
a. Jembatan dioda. b. Potensiometer.
3. catu daya (power supply) mikrokontroler : sebelum masuk ke sistem listrik AC didropkan menjadi 6V menggunakan trafo CT diubah menjadi DC menggunakan diode bridge masuk ke IC LM7805 keluar DC 5V untuk catu daya sistem. Hal ini dilakukan karena merupakan salah satu proteksi jika diode zener dadal dalam teori. 4. RTC : dalam praktiknya menggunakan
timer internal karena RTC yang dimaksud masih sangat jarang di pasaran dan juga
penggunaan RTC membutuhkan memori yang cukup.
5. Mikrokontroler : AVR ATmega8 yang
compatible dengan AVR ATmega88
(www.atmel.com) ditunjukkan pada
gambar 1.3
Gambar 1.3 (ISP) ATmega 8 (www.atmel.com)
6. Sensor : Sensor dalam pembuatan sistem ini
menggunakan trafo arus (current
transformator), untuk trafo jenis ini masih sangat jarang dan jumlahnya pun terbatas sehingga untuk mendapat trafo ini harus membuat sendiri.
Sensor Arus
Sebatang kawat teraliri arus listrik menuju beban dilewatkan diantara cicin toroid dan sejumlah kawat email digulung padacincin toroid tersebut maka kumparan kawat pada cincin tersebut akan menginduksikan arus listrik dari sebatang kawat arus tersebut. Dengan mengolah sinyal induksi pada kawat kumparan toroid tersebut maka akan diperoleh nilai arus yang dilewatkan untuk mensuplay beban pada ujung kawat arus. Dengan metode ini arus yang dilewatkan akan terbaca pada fungsi besaran tegangan berbentuk gelombang sinusoidal (gambar 1.4).
Gambar 1.4 Sensor arus dan pengkondisi sinyal
Sensor Tegangan
Sensor tegangan berupa sebuah
transformer step-down pada umumnya, besar transformer ialah 300mA. Keluaran dari sensor ini berupa tegangan, berbentuk gelombang sinusoidal (gambar 1.5).
Gambar 1.5 Sensor tegangan dan pengkondisi sinyal
Rangkaian Pengkondisi sinyal sebagai pembentuk beda fasa
Dalam blok pengkondisi sinyal terdiri dari blok–blok rangkaian, yang bertujuan membuat sinyal sinusoidal keluaran dari sensor arus dan tegangan menjadi sinyal persegi. Pembentukan sinyal persegi dilakukan dengan metode Zerro Crossing Detector, dengan
terbentuknya sinyal persegi maka akan
mempermudah untuk membentuk beda fasa pada rangkaian logika EX-OR (Gambar 1.6).
Gambar 1.6 Rangkaian pembentuk beda fasa
1. LCD : LCD yang digunakan adalah tipe dot matrik LMB 162A yang compatible dengan LCD Hitachi M 1632. LCD ini merupakan modul LCD dengan tampilan 16 x 2 baris
yang didesain dengan konsumsi daya yang rendah. Modul ini dilengkapi dengan mikrokontroler yang didesain khusus untuk
mengendalikan LCD. Mikrokontroler HD 44780 buatan Hitachi
2. Rangkaian schematic keseluruhan
ditunjukkan pada gambar 1.7
Gambar 1.7 Blok diagram KWh meter digital
Gambar 1.8 flow chart program pengolah KWh meter digital
Perangkat Lunak (Software) KWh meter
Program utama dari algoritma
perangkat lunak dari pembutan KWh meter digital, ditunjukkan gambar 1.8
Langkah Kerja
Rancang bangun KWh meter digital dari sistem KWh meter analog menggunakan mikrokontroler AVR ATmega 8 :
1. Studi literatur/ referensi
2. Perancangan perangkat keras/ hardware , ditunjukkan pada gambar (1.2-1.7)
3. Pembuatan program untuk perangkat
lunaknya/ software, seperti gambar 1.8. 4. Pengujian alat
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Percobaan
1. Karakteristik sensor
Sensor yang digunakan adalah
transformator arus (current transformator/ CT) yang kemudian dikonversi menjadi tegangan. Untuk menentukan kinerja dari sensor tersebut adalah linieritas yang artinya jika sensor dihubungkan/ diberi beban akan naik sebanding besarnya beban yang terpasang.
Data linieritas trafo arus ditunjukkan pada tabel 1 dan gambar 1.9
Tabel 1 Linieritas Trafo arus
DAYA (WATT) TEGANGAN TERUKUR (VOLT)
450 25 300 19 250 17 200 13 100 7 50 3.5 10 1 Keterangan :
Tegangan terukur adalah perkalian tegangan dengan arus yang dihasilkan dari trafo arus yang digunakan.
Tabel 2. KWh terukur dengan daya sesungguhnya (beban tetap, waktu variabel)
DAYA TERTULIS (WATT) DAYA SESUNGGUHYA (WATT) T (MENIT) W HITUNG (KWH) W TERUKUR (KWH) 450 430 10 0.071666 0.034143 20 0.143333 0.065646 30 0.215 0.106459 40 0.286666 0.133299 60 0.43 0.377062 300 275 10 0.045833 0.012006 20 0.091666 0.045001 30 0.1375 0.07679 40 0.183333 0.109097 60 0.275 0.291416 250 247 10 0.041166 0.009275 20 0.082333 0.035613 30 0.1235 0.071698 40 0.164666 0.086975 60 0.247 0.296913
Gambar 1.9 Linieritas Trafo arus
Pada gambar 1.9 karakteristik sensor mendekati linier (dengan tingkat linieritas R2 = 0,964) sehingga trafo arus ini dapat digunakan dalam pembacaan KWh meter (data yang terukur pada tabel 1).
2. Karakteristik ADC
ADC yang digunakan merupakan ADC yang terintegrasi dalam satu chip dengan kata lain menggunakan ADC internal dengan resolusi (R) 10 bit, yang artinya ADC tersebut dapat mengukur sampai perubahan yang sangat kecil, yaitu tegangan terkecil sebesar 0,000977. Dari resolusi tersebut terbukti ADC yang digunakan sangat teliti. Untuk mengetahui secara lengkap dan jelas terlampir dalam data
sheet ATmega 8 dalam lampiran 1. Mengacu
pada data sheet karakteristik ADC ATmega 8, eror ADC sebesar 0,0001954 (0,5 LSB).
Dari hasil percobaan karakteristik dari sensor/ trafo arus dan karakteristik ADC pada mikrokontroler diperoleh kesesuaian/ linear, semakin besar input maka output yang dihasilkan juga semakin besar (tabel 1). Percobaan selanjutnya adalah mengetahui hubungan kesebandingan energi listrik (KWh) yang terukur pada variasi beban dengan waktu
konstan dan mengetahui hubungan
kesebandingan energi listrik (KWh) yang terukur pada variasi watu dengan beban tetap. 1. Data perhitungan energi listrik dengan
variasi daya sesungguhnya (persamaan 1.4 dan persamaan 1.5), dengan waktu konstan ditunjukkan gambar 1.10.
2. Data perhitungan energi listrik variasi waktu dengan daya sesungguhnya konstan yang ditunjukkan gambar 1.11 dan tabel 2.
Gambar 1.10 Komparasi daya terukur dengan daya hitung
Gambar 1.11, Daya terukur konstan, waktu variasi
PEMBAHASAN
Dari hasil pecobaan yang telah dilakukan dengan memperhitungkan linieritas
sensor (trafo) dan linieritas ADC
(mikrokontroler) . Untuk percobaan
selanjutnya mengetahui kinerja dari alat yang telah dibuat (KWh meter digital berbasis mikrokontroler Atmega 8) dengan percobaan mengetahui hubungan KWh meter yang terukur dengan daya yang tertulis dengan waktu konstan atau sebaliknya, mengetahui hubungan KWh terukur dengan waktu variasi dengan beban konstan. Dari hasil percobaan diperoleh hasil sebagai berikut :
KWh terukur dengan beban variasi dengan waktu konstan (gambar 1.8) diperoleh nilai dengan faktor linieritas (R) diasumsikan sebagai ketelitian KWh meter digital sebesar 0,946 sedangkan dari tingkat keakuratannya diasumsikan bernilai 1 untuk persamaan linier y = mx + c untuk m = 1 (gambar1.9) ternyata masih terdapat eror/ ralat yang signifikan, mengapa demikian? Hal ini ternyata terdapat hubungan antara beban dengan fluktuasi tegangan sumber (PLN). Sehingga daya terukur harus dikoreksi dengan daya sesungguhnya (faktor kalibrasi). Faktor kalibrasi dari gambar 1.9 sebesar 1/ 0,064 = 16 (pembulatan). Sedangkan untuk percobaan hubungan KWh meter yang terukur (gambar 1.10) dengan waktu masih terdapat eror tetapi nilai erornya lebih kecil dibandingkan dengan variasi beban
dengan waktu konstan atau dengan kata lain perubahan waktu tidak mempengaruhi kinerja dari KWh meter digital.
KESIMPULAN
Dari perancangan alat ukur energi KWh meter digital berbasis mikrokontroler ATmega 8 yang dibuat dengan spesifikasi KWh meter digital sebagai berikut :
1. Telah dilakukan rancang bangun perangkat
Kwh Meter Digital berbasis
mikrokontroler.
2. Range beban yang terukur (0-450) watt
(untuk beban diatas 450 watt belum dilakukan percobaan).
3. Ketelitian KWh meter ini ditentukan oleh tingkat kelinieritasan alat terhadap beban koreksi yaitu sebesar 0,946 dan tingkat
keakuratan sebesar 0.064 dengan
spesifikasi tingkat kelinieran trafo arus (sensor) sebesar 0,964 dan tingkat eror ADC internal mikrokontroler Atmega 8 sebesar 0,0001954 (0,5 LSB).
4. Faktor kalibrasi KWh meter digital sebesar
16.
DAFTAR PUSTAKA
1. B. YOYOK WP, 2008, perancangan watt meter digital 1 fasa dengan mikrokontroller at89s51, teknik elektro, unika sogijapranata semarang.
2. ELNANDA,HARDA, 2006, perancangan alat ukur daya listrik lampu pijar menggunakan
adc tlv2543 dengan tampilan komputer, teknik elektro ugm, yogyakarta.
3. DOEBELIN, ERNEST o., 1983, measurement
systems. Tokyo: mcgraw-hill international book company
4. KIRKUP, LES, 2002, calculating and
expressing uncertainty in measurement. Faculty of science, university of technology sidney, australia (dari internet).
5. WAHYUNGGORO, OYAS, 1998.
Pengukuran besaran listrik. Yogyakarta: diktat bahan kuliah, jurusan teknik elektro universitas gadjah mada
6. www.atmel.com, application note465, 12 maret 2008, 10.00 wib.
7. www.atmel.com, 12 maret 2008, 11.00 wib. 8. Reference design user’s guide bill-of-material
(bom) microchip application note465, 12 maret 2008, 10.00 wib).
9. www.analog device.com, solid state electricity 15 maret 2008, 06.00 wib.
